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为解决生物反应器设计中内部水力特征难以表征等问题，研究人员开展 “非理想连续搅拌生物反应器模型用于多媒体反硝化过程” 的研究。结果表明该模型可有效表征反应器水力特征，且新型生物反应器设计水力效率高。这有助于推进生物反应器科学发展。
在农业领域，农田径流中常常含有过量的营养物质，这些物质会对周边水体环境造成严重污染。为了去除这些多余的营养物质，反硝化生物反应器（denitrifying bioreactors）应运而生。它就像是一个神奇的 “净化工厂”，利用微生物的力量，将氮转化为无害的氮气。然而，这个 “工厂” 的内部构造和运行机制却十分复杂，其内部的水流模式就像一个神秘的迷宫，难以捉摸。传统的生物反应器设计通常使用 Darcy 方程来描述多孔介质中的水流，但对于含有多种不同介质的生物反应器来说，确定其水力传导率非常困难，因为不同介质的水力传导率差异很大且不稳定。而且，生物反应器的实际水流模式往往与理想的理论模式相差甚远，存在诸如短路（short - circuiting）和死区（dead space）等问题，这些问题都会影响反应器的处理效率。为了更深入地了解生物反应器的内部机制，提高其设计的合理性和处理效率，来自国外的研究人员开展了一项关于 “非理想连续搅拌生物反应器模型用于多媒体反硝化过程” 的研究。他们的研究成果发表在《Biosystems Engineering》上，为生物反应器领域的发展带来了新的曙光。
研究人员用到的主要关键技术方法包括：构建结合活塞流（plug flow）和连续搅拌反应器（CSTRs）的非理想流模型，考虑死区和短路情况，基于零级和一级反应系数进行模拟；利用保守示踪剂（如溴化物）实验，通过采集不同时间的样本测定其浓度，获取生物反应器的水力特征参数；运用数值计算和优化算法，如 Excel Solver GRG 非线性方法，对模型参数进行优化，以得到最佳拟合曲线。
研究结果如下：
- 敏感性分析：通过改变 kb2等参数进行敏感性分析，结果显示，在部分模型运行中，kd每变化 10%，预测的硝酸盐 Cout平均会有 52% 或 27% 的差异。同时发现，Q 和进水硝酸盐浓度保持恒定对预测的硝酸盐 Cout影响较小，减少反应器数量有轻微的抑制作用，增加 fs2值则有轻微的放大作用。
- 通用溴化物回收曲线：对溴化物回收曲线进行优化，发现该生物反应器在活塞流和 CSTRs 中均存在极少的短路和死区。理论水力停留时间（HRT）略低于设计值，实际 HRT 与示踪剂保留时间相近。此外，二级流动特征参数也与预期相符，如体积效率高于 90%，表明生物反应器介质得到了充分利用，Morrill 分散指数（MDI）大于 2.0，说明反应器并非严格的活塞流。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，他们所建立的模型能够有效表征生物反应器的水力特征，包括活塞流、连续搅拌反应器、死区和短路等情况，这为更准确地理解生物反应器内的复杂流动模式提供了有力工具。通过与传统的仅使用木片的生物反应器对比发现，该多媒体生物反应器在多个水力特征参数上表现出差异，如 MDI 略高、非短路比例更高等。虽然模型显示该生物反应器的效率较高，但由于其中的材料降解速率不同，随着时间推移可能会出现一些问题，比如木材降解可能导致排水孔隙率、流速、水力和体积效率降低，HRT 增加等。针对这些问题，研究人员提出可以采用模块化设计来解决。此外，溴化物作为示踪剂可能并不完美，存在吸收和脱附过程，这可能会影响实验结果的准确性。本次研究成果对于优化生物反应器设计、提高其处理效率具有重要意义，为生物反应器科学的进一步发展提供了理论支持和实践指导，有助于推动相关领域在农业径流处理等实际应用中的进步。
